Kunstig blød overflade efterligner selvstændigt naturens former

Ingeniører ved Duke University har udviklet en skalerbar blød overflade, der løbende kan omforme sig selv for at efterligne objekter i naturen. Ved at stole på elektromagnetisk aktivering, mekanisk modellering og maskinlæring for at danne nye konfigurationer, kan overfladen endda lære at tilpasse sig hindringer såsom ødelagte elementer, uventede begrænsninger eller skiftende miljøer.

Forskningen vises online den 21. september i tidsskriftet Nature .

"Vi er motiveret af ideen om at kontrollere materialeegenskaber eller mekanisk opførsel af et konstrueret objekt i farten, hvilket kan være nyttigt til applikationer som blød robotik, augmented reality, biomimetiske materialer og emnespecifikke wearables," sagde Xiaoyue Ni, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Vi fokuserer på at konstruere formen af ​​stof, der ikke er forudbestemt, hvilket er en ret stor opgave at udføre, især for bløde materialer."

Tidligere arbejde med morphing stof har ifølge Ni typisk ikke været programmerbar; det er blevet programmeret i stedet for. Det vil sige, at bløde overflader udstyret med designet aktive elementer kan skifte deres former mellem få former, som et stykke origami, som reaktion på lys eller varme eller andre stimuli, der udløser. I modsætning hertil ønskede Ni og hendes laboratorium at skabe noget meget mere kontrollerbart, der kunne forvandle og omkonfigurere, så ofte det vil, til enhver fysisk mulig form.

For at skabe sådan en overflade startede forskerne med at lægge et gitter af slangelignende bjælker lavet af et tyndt lag guld indkapslet af et tyndt polymerlag. De individuelle bjælker er kun otte mikrometer tykke - omtrent tykkelsen af ​​en bomuldsfiber - og mindre end en millimeter brede. Bjælkernes lethed gør det muligt for magnetiske kræfter at deformere dem nemt og hurtigt.

For at generere lokale kræfter sættes overfladen i et statisk magnetfelt på lavt niveau. Spændingsændringer skaber en kompleks, men let forudsigelig elektrisk strøm langs det gyldne gitter, der driver nettets forskydning ud af planet.

"Dette er den første kunstige bløde overflade, der er hurtig nok til nøjagtigt at efterligne en kontinuerlig formskiftende proces i naturen," sagde Ni. "Et vigtigt fremskridt er det strukturelle design, der muliggør et usædvanligt lineært forhold mellem de elektriske input og den resulterende form, hvilket gør det nemt at finde ud af, hvordan man anvender spændinger for at opnå en lang række forskellige målformer."

Den nye "metasurface" viser en bred vifte af morphing- og efterligningsfærdigheder. Det skaber buler, der rejser sig og bevæger sig rundt i overfladen som en kat, der forsøger at finde vej ud under et tæppe, oscillerende bølgemønstre og en overbevisende replikation af en væskedråbe, der drypper og plapper på en fast overflade. Og den producerer disse former og adfærd ved enhver ønsket hastighed eller acceleration, hvilket betyder, at den kan genforestille den fangede kat eller den dryppede dråbe i slowmotion eller hurtigt fremad.

Med kameraer, der overvåger den morphing-overflade, kan den contortionistiske overflade også lære at genskabe former og mønstre på egen hånd. Ved langsomt at justere de påførte spændinger tager en indlæringsalgoritme 3D-billeddannelsesfeedback og finder ud af, hvilke effekter de forskellige input har på metasoverfladens form.

I papiret flytter en menneskehåndflade plettet med 16 sorte prikker sig langsomt under et kamera, og overfladen spejler bevægelserne perfekt.

"Styringen behøver ikke at vide noget om materialernes fysik, den tager bare små skridt og holder øje med, om den kommer tættere på målet eller ej," sagde Ni. "Det tager i øjeblikket omkring to minutter at opnå en ny form, men vi håber i sidste ende at forbedre feedbacksystemet og indlæringsalgoritmen til det punkt, at det næsten er i realtid."

Fordi overfladen lærer sig selv at bevæge sig gennem trial and error, kan den også tilpasse sig skader, uventede fysiske begrænsninger eller miljøændringer. I et eksperiment lærer den hurtigt at efterligne en svulmende høj på trods af, at en af ​​dens bjælker er skåret over. I en anden form formår den at efterligne en lignende form, selvom en vægt er knyttet til en af ​​gitterets noder.

Der er mange umiddelbare muligheder for at udvide skalaen og konfigurationen af ​​den bløde overflade. For eksempel kan en række overflader skalere størrelsen op til størrelsen af ​​en rørende skærm. Eller fremstillingsteknikker med højere præcision kan skalere størrelsen ned til en millimeter, hvilket gør den mere velegnet til biomedicinske applikationer.

Fremadrettet ønsker Ni at skabe robotmetasurfaces med integrerede formfølende funktioner til at udføre real-time formefterligning af komplekse, dynamiske overflader i naturen, såsom vandet krusninger, fiskefinner eller det menneskelige ansigt. Laboratoriet kan også overveje at integrere flere komponenter i prototypen, såsom indbyggede strømkilder, sensorer, beregningsressourcer eller trådløse kommunikationsmuligheder.

"Sammen med stræben efter at skabe programmerbare og robotmaterialer forestiller vi os, at fremtidige materialer vil være i stand til at ændre sig selv for at tjene funktioner dynamisk og interaktivt," sagde Ni. "Sådanne materialer kan fornemme og opfatte krav eller information fra brugerne og transformere og tilpasse sig efter realtidsbehovene for deres specifikke ydeevne, ligesom mikrobotterne i Big Hero 6. Den bløde overflade kan finde anvendelse som en fjernbetjent robot, dynamisk 3D-skærm, camouflage, eksoskelet eller andre smarte, funktionelle overflader, der kan arbejde i barske, uforudsigelige miljøer." + Udforsk yderligere

Aquabots:Ultrabløde flydende robotter til biomedicinske og miljømæssige applikationer